CN115172544A - 一种基于全氮化物的外延芯片结构和发光器件 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种基于全氮化物的外延芯片结构和发光器件,该外延芯片结构包括生长于衬底同一侧主表面上的n型半导体层、p型半导体层、电致发光量子阱层系以及第一光致发光量子阱层系,其中n型半导体层和p型半导体层设置于电致发光量子阱层系的相对两侧,电致发光量子阱层系以电致发光方式产生第一颜色的光线,第一颜色的光线进一步传输至第一光致发光量子阱层系,以使得第一光致发光量子阱层系以光致发光方式产生第二颜色的光线。本申请在衬底的同一侧设置基于电致发光的电致发光量子阱层系,以产生第一颜色的光线,以及设置基于光致发光的第一光致发光量子阱层系,将第一颜色的光线进一步转化为第二颜色的光线出射,提高芯片的发光效率。
Description
技术领域
本申请涉及半导体光电技术领域,特别是涉及一种基于全氮化物的外延芯片结构和发光器件。
背景技术
氮化镓(GaN)基白光LED具有节能、使用寿命长、体积小等优点。现已广泛用于背光源、汽车用灯等照明领域。目前由于GaN基长波长LED存在发光效率低、光效的droop问题和发光峰的蓝移问题,实现LED白光的主流方式是GaN基蓝光芯片加橙色荧光粉,但是这种方式产生的白光指标参数相对较差,存在色度不均匀和性能衰退等问题。
另外,Micro LED作为下一代全彩显示技术,需要在一块屏幕上集成高密度的微小尺寸的红、绿、蓝三基色LED芯片阵列,因此红、绿、蓝三基色LED芯片的分次巨量转移技术成为制约其发展的主要技术瓶颈。如果能将红、绿、蓝三基色GaN基LED芯片在同一芯片进行生长集成,则可大大降低终端产品制作的复杂度。
发明内容
本发明的目的是提供至少一种解决GaN基长波长LED发光效率低的基于全氮化物的外延芯片结构和发光器件。
本申请第一实施例提供一种基于全氮化物的外延芯片结构,该外延芯片结构包括生长于衬底同一侧主表面上的n型半导体层、p型半导体层、电致发光量子阱层系以及第一光致发光量子阱层系,其中n型半导体层和p型半导体层设置于电致发光量子阱层系的相对两侧,p型半导体层所输出的空穴与n型半导体层所输出的电子在电致发光量子阱层系内复合,以使得电致发光量子阱层系以电致发光方式产生第一颜色的光线,第一颜色的光线进一步传输至第一光致发光量子阱层系,以使得第一光致发光量子阱层系以光致发光方式产生第二颜色的光线。
可选地,外延芯片结构进一步包括P型电极,P型电极设置于p型半导体层背离电致发光量子阱层系的一侧,P型电极为反射电极或者外延芯片结构进一步包括设置于P型电极与p型半导体层之间导电反射层,以将第一颜色的光线反射至第一光致发光量子阱层系。
可选地,p型半导体层所输出的空穴设置成无法传输至第一光致发光量子阱层系。
可选地,电致发光量子阱层系的厚度设置成使得p型半导体层所输出的空穴无法传输至第一光致发光量子阱层系。
可选地,外延芯片结构进一步包括设置于电致发光量子阱层系与第一光致发光量子阱层系之间的隔离层,隔离层用于阻挡p型半导体层所输出的空穴传输至第一光致发光量子阱层系。
可选地,隔离层的材料为n型半导体。
可选地,电致发光量子阱层系和第一光致发光量子阱层系夹置于n型半导体层和p型半导体层之间。
可选地,电致发光量子阱层系和第一光致发光量子阱层系设置于n型半导体层的相对两侧。
可选地,电致发光量子阱层系和第一光致发光量子阱层系分别包括InGaN或InGaAlN的量子阱层,其中电致发光量子阱层系的量子阱层中的In含量小于第一光致发光量子阱层系的量子阱层中的In含量。
可选地,n型半导体体层包括第一子半导体层和第二子半导体层,或p型半导体层包括第一子半导体层和第二子半导体层,第一光致发光量子阱层系夹置于第一子半导体层和第二子半导体层之间。
可选地,外延芯片结构进一步包括光谱反射增强结构,光谱反射增强结构设置于第一光致发光量子阱层系背离电致发光量子阱层系的一侧,光谱反射增强结构用于将未被第一光致发光量子阱层系吸收的第一颜色的光线反射回第一光致发光量子阱层系,并透射第二颜色的光线。
可选地,第一光致发光量子阱层系设置成将第一颜色的光线的一部分转换成第二颜色的光线,第二颜色的光线进一步与第一颜色的光线的剩余部分复合呈第三颜色的光线。
可选地,外延芯片结构进一步包括第二光致发光量子阱层系,第一颜色的光线和/或第二颜色的光线传输至第二光致发光量子阱层系,以使得第二光致发光量子阱层系以光致发光方式产生第三颜色的光线;其中,反射电极或者导电反射层还用于反射第二颜色的光线和/或第三颜色的光线。
可选地,第二光致发光量子阱层系和第一光致发光量子阱层系设置于电致发光量子阱层系的同一侧;或者
第二光致发光量子阱层系和第一光致发光量子阱层系设置于电致发光量子阱层系的两侧。
可选地,第一颜色的光线的波长范围为360nm-460nm。
可选地,第一颜色的光线的波长范围为360nm-420nm,第二颜色的光线的波长范围为420nm-480nm;或者
第一颜色的光线的波长范围为420-480nm,第二颜色的光线的波长范围为490nm-550nm;或者
第一颜色的光线的波长范围为490-550nm,第二颜色的光线的波长范围为560nm-650nm。
可选地,外延芯片结构包括正装结构、倒装结构、垂直结构或移除衬底的薄膜结构。
本申请第二实施例提供一种发光器件,该发光器件包括如上述的外延芯片结构和荧光粉,荧光粉设置于外延芯片结构的出光侧的表面,第一颜色的光线和/或第二颜色的光线传输至荧光粉,以使得荧光粉受激产生第四颜色的光线。
区别于现有技术,本申请通过在外延芯片结构的衬底的同一侧设置基于电致发光的电致发光量子阱层系,以产生第一颜色的光线,以及设置基于光致发光的第一光致发光量子阱层系,将第一颜色的光线进一步转化为第二颜色的光线出射,以使得第一光致发光量子阱层系能够接收电致发光量子阱层系所产生大部分第一颜色的光线,并将其转化为第二颜色的光线,有效提高色转换效率,同时解决使用荧光粉发光存在损耗和衰退的问题,进而提高外延芯片结构的发光效率。
应当理解的是,以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的,而非限制本申请。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请外延芯片结构第一实施例的结构示意图;
图2是本申请外延芯片结构第二实施例的结构示意图;
图3是本申请外延芯片结构第三实施例的结构示意图;
图4是本申请外延芯片结构第四实施例的结构示意图;
图5是本申请外延芯片结构第五实施例的结构示意图;
图6是本申请外延芯片结构第六实施例的结构示意图;
图7是本申请外延芯片结构的光谱强度示意图;
图8是本申请外延芯片结构与常规LED的波长蓝移比较示意图;
图9是本申请外延芯片结构第七实施例的结构示意图;
图10是本申请外延芯片结构第八实施例的结构示意图;
图11是本申请外延芯片结构第九实施例的结构示意图;
图12是本申请外延芯片结构第十实施例的结构示意图;
图13是本申请发光器件一实施例的结构示意图。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本申请的技术方案,下面结合附图和具体实施方式对本申请所提供的基于全氮化物的外延芯片结构和发光器件做进一步详细描述。可以理解的是,所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例,而不是全部实施例。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性的劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
本申请中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象,而不是用于描述特定顺序。此外,术语“包括”和“具有”以及它们任何变形,意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元,而是可选地还包括没有列出的步骤或单元,或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
本申请提供一种基于全氮化物的外延芯片结构,以解决现有技术中使用外置波长转换器转化外延芯片结构所产生的颜色光所存在色转换效率偏低、发光强度偏低以及荧光粉发光存在损耗和衰退的问题,进而导致使用该LED与波长转换器的照明装置的发光效率较低的问题。
请参阅图1,图1是本申请外延芯片结构第一实施例的结构示意图。如图1所示,外延芯片结构10包括衬底101、n型半导体层102、p型半导体层105、电致发光量子阱层系104以及第一光致发光量子阱层系103。
具体地,n型半导体层102、p型半导体层105、电致发光量子阱层系104以及第一光致发光量子阱层系103生长于衬底101同一侧主表面上。其中,n型半导体层102和p型半导体层105设置于电致发光量子阱层系104的相对两侧,第一光致发光量子阱层系103位于电致发光量子阱层系104背离p型半导体层105的一侧。可选地,本实施例不限制n型半导体层102、p型半导体层105、电致发光量子阱层系104以及第一光致发光量子阱层系103在衬底101上的生长沉积顺序,仅需要满足上述排布关系。
可选地,在本实施例中,衬底101可为双抛蓝宝石衬底,其厚度可为10μm-1000μm。
可选地,本实施例p型半导体层105包括依次生长于电致发光量子阱层系104的p-GaN层与p-AlGaN层。其中,p-GaN层的厚度可为10nm-500nm,p-AlGaN层的厚度可为5nm-50nm。
其中,p型半导体层105所输出的空穴与n型半导体层102所输出的电子在电致发光量子阱层系104内复合,以使得电致发光量子阱层系104以电致发光方式产生第一颜色的光线,可选地,本实施例第一颜色的光线的波长范围为360nm-460nm。第一颜色的光线进一步传输至第一光致发光量子阱层系103,以使得第一光致发光量子阱层系103以光致发光方式产生第二颜色的光线。可选地,本实施例可根据需要设置电致发光量子阱层系104与第一光致发光量子阱层系103中的In含量,以使对应的量子阱层系产生相应颜色的光线。
具体地,电致发光量子阱层系104和第一光致发光量子阱层系103分别包括InGaN或InGaAlN的量子阱层,其中电致发光量子阱层系104的量子阱层中的In含量小于第一光致发光量子阱层系103的量子阱层中的In含量。可选地,电致发光量子阱层系104的量子阱层中的In含量为0-20%,第一光致发光量子阱层系103的量子阱层中的In含量为12%-50%。
其中,电致发光量子阱层系104的厚度可为5nm-1000nm,第一光致发光量子阱层系103的厚度可为5nm-200nm。电致发光量子阱层系104与第一光致发光量子阱层系103均包括至少一个量子阱与至少一个势垒层,其中量子阱的厚度可为0.5nm-10nm,势垒层的厚度可为3nm-100nm。可选地,电致发光量子阱层系104和第一光致发光量子阱层系103均可为多周期结构,一个量子阱与一个势垒层形成一个周期结构,电致发光量子阱层系104的周期数为1-15对,第一光致发光量子阱层系103的周期数为1-100对。
可选地,在其他实施例中,第一光致发光量子阱层系103还可设置成将第一颜色的光线的一部分转换成第二颜色的光线,第二颜色的光线进一步与第一颜色的光线的剩余部分复合呈第三颜色的光线。
可选地,在本实施例中,第一颜色的光线的波长范围为360nm-420nm,第二颜色的光线的波长范围为420nm-480nm;或者第一颜色的光线的波长范围为420-480nm,第二颜色的光线的波长范围为490nm-550nm;或者第一颜色的光线的波长范围为490-550nm,第二颜色的光线的波长范围为560nm-650nm。本实施例通过选择波长相近第一颜色的光线和第二颜色的光线,能够使短波长的第一颜色的光线转化为长波长的第二颜色的光线的转化效率更高,同时减小波长转换的能量损失。
如图1所示,本实施例外延芯片结构10进一步包括P型电极107和N型电极106,P型电极107设置于p型半导体层105背离电致发光量子阱层系104的一侧,用于激发p型半导体层105产生空穴,N型电极106设置于n型半导体层102背离衬底101的一侧,用于激发n型半导体层102产生电子。
具体地,在本实施例中,P型电极107为反射电极。电致发光量子阱层系104所产生的第一颜色的光线一部分直接传输至第一光致发光量子阱层系103,另一部分第一颜色的光线传输至P型电极107,并由P型电极107反射,以使另一部分第一颜色的光线也传输至第一光致发光量子阱层系103,因此第一光致发光量子阱层系103能够接收绝大多数电致发光量子阱层系104所产生的第一颜色的光线,有效提高第一光致发光量子阱层系103的色转换效率,提高外延芯片结构10的发光效率。同时,第一光致发光量子阱层系103将第一颜色的光线转换成第二颜色的光线,并通过透明的衬底101出射至外延芯片结构10外。
其中,p型半导体层105所输出的空穴设置成无法传输至第一光致发光量子阱层系103,或电致发光量子阱层系104的厚度设置成使得p型半导体层105所输出的空穴无法传输至第一光致发光量子阱层系103,以防止第一光致发光量子阱层系103产生电致发光,防止第二量子阱系103产生的第二颜色的光谱变宽,进而防止外延芯片10产生的光线不满足设计需求。
其中,P型电极107的厚度可为10nm-1000nm,N型电极106的厚度可为10nm-1000nm。可选地,P型电极107与N型电极106均为金属电极,P型电极107的金属组成可以是钛、铝、银、金、镍、铂金等一种或几种组合,N型电极106的金属组成可以是钛、铝、银、金、镍、铂金等一种或几种组合。
结合图1,进一步参阅图2,图2是本申请外延芯片结构第二实施例的结构示意图。如图2所示,本实施例外延芯片结构10包括衬底101、n型半导体层102、p型半导体层105、电致发光量子阱层系104、第一光致发光量子阱层系103、P型电极107、N型电极106以及设置于P型电极107与p型半导体层105之间的导电反射层111。
具体地,n型半导体层102、第一光致发光量子阱层系103、电致发光量子阱层系104、p型半导体层105、导电反射层111以及P型电极107依次设置于衬底101的一侧面上,N型电极106设置于n型半导体层102背离衬底101的一侧。
其中,导电反射层111用于将电致发光量子阱层系104所产生并传输至P型电极107的第一颜色的光线反射至第一光致发光量子阱层系103,进一步提高第一光致发光量子阱层系103的色转换效率,提高外延芯片结构10的发光效率。
结合图1,进一步参阅图3,图3是本申请外延芯片结构第三实施例的结构示意图。如图3所示,本实施例外延芯片结构10包括衬底101、缓冲层110、n型半导体层102、p型半导体层105、电致发光量子阱层系104、第一光致发光量子阱层系103、P型电极107以及N型电极106。其中,缓冲层110设置于衬底101与n型半导体层102之间。
具体地,缓冲层110、n型半导体层102、第一光致发光量子阱层系103、电致发光量子阱层系104、p型半导体层105以及P型电极107依次设置于衬底101的一侧面上,N型电极106设置于n型半导体层102背离衬底101的一侧。
可选地,在其他实施例中,缓冲层110还可为GaN成核层。其中,GaN成核层的厚度可为5nm-200nm。
具体地,在本实施例中,电致发光量子阱层系104和第一光致发光量子阱层系103夹置于n型半导体层102和p型半导体层105之间。在本实施例中,n型半导体层102所输出的电子通过第一光致发光量子阱层系103传输至电致发光量子阱层系104,p型半导体层105所输出的空穴同样传输至电致发光量子阱层系104,以使电子与空穴在电致发光量子阱层系104内复合。同时,为了防止p型半导体层105所输出的空穴传输至第一光致发光量子阱层系103,可通过设置p型半导体层105与电致发光量子阱层系104的厚度实现。
结合图1和图3,进一步参阅图4,图4是本申请外延芯片结构第四实施例的结构示意图。如图4所示,本实施例外延芯片结构10包括衬底101、缓冲层110、第一光致发光量子阱层系103、n型半导体层102、p型半导体层105、电致发光量子阱层系104、P型电极107以及N型电极106。
具体地,缓冲层110、第一光致发光量子阱层系103、n型半导体层102、电致发光量子阱层系104、p型半导体层105以及P型电极107依次设置于衬底101的一侧面上,N型电极106设置于n型半导体层102背离衬底101的一侧。
其中,电致发光量子阱层系104和第一光致发光量子阱层系103设置于n型半导体层102的相对两侧。n型半导体层102所输出的电子以及p型半导体层105所输出的空穴直接传输至电致发光量子阱层系104,以使电子与空穴在电致发光量子阱层系104内复合。同时,为了防止p型半导体层105所输出的空穴传输至第一光致发光量子阱层系103,可设置p型半导体层105、电致发光量子阱层系104以及n型半导体层102的厚度。
可选地,在本实施例中,外延芯片结构10还可包括un-GaN层,un-GaN层可设置于第一光致发光量子阱层系103与缓冲层110之间。其中,un-GaN层的厚度可为100nm-10000nm。
结合图1和图3,进一步参阅图5,图5是是本申请外延芯片结构第五实施例的结构示意图。如图5所示,本实施例外延芯片结构10包括衬底101、缓冲层110、n型半导体层102、第一光致发光量子阱层系103、隔离层109、p型半导体层105、电致发光量子阱层系104、P型电极107以及N型电极106。其中,隔离层109设置于电致发光量子阱层系104与第一光致发光量子阱层系103之间,隔离层109用于阻挡p型半导体层105所输出的空穴传输至第一光致发光量子阱层系103。
具体地,缓冲层110、n型半导体层102、第一光致发光量子阱层系103、隔离层109、电致发光量子阱层系104、p型半导体层105以及P型电极107依次设置于衬底101的一侧面上,N型电极106设置于n型半导体层102背离衬底101的一侧。
其中,在本实施例中,n型半导体层102所输出的电子通过第一光致发光量子阱层系103和隔离层109传输至电致发光量子阱层系104,p型半导体层105所输出的空穴同样传输至电致发光量子阱层系104,以使电子与空穴在电致发光量子阱层系104内复合。同时,为了防止p型半导体层105所输出的空穴传输至第一光致发光量子阱层系103,可通过设置p型半导体层105、电致发光量子阱层系104以及隔离层109的厚度实现。
可选地,本实施例隔离层109的材料为n型半导体,即具体可为n-GaN层,其厚度可为100nm-10000nm。
结合图2和图5,进一步参阅图6,图6是本申请外延芯片结构第六实施例的结构示意图。如图6所示,本实施例外延芯片结构10包括衬底101、光谱反射增强结构108、n型半导体层102、第一光致发光量子阱层系103、隔离层109、p型半导体层105、电致发光量子阱层系104、导电反射层111、P型电极107以及N型电极106。其中,光谱反射增强结构108设置于第一光致发光量子阱层系103背离电致发光量子阱层系104的一侧,具体设置于衬底101与n型半导体层102之间,光谱反射增强结构108用于将第一光致发光量子阱层系103未吸收的第一颜色的光线反射至第一光致发光量子阱层系103,并透射第一光致发光量子阱层系103所产生的第二颜色的光线。
具体地,光谱反射增强结构108、n型半导体层102、第一光致发光量子阱层系103、隔离层109、电致发光量子阱层系104、p型半导体层105、导电反射层111以及P型电极107依次设置于衬底101的一侧面上,N型电极106设置于n型半导体层102背离衬底101的一侧。
其中,在本实施例中,n型半导体层102所输出的电子通过第一光致发光量子阱层系103和隔离层109传输至电致发光量子阱层系104,p型半导体层105所输出的空穴同样传输至电致发光量子阱层系104,以使电子与空穴在电致发光量子阱层系104内复合。同时,为了防止p型半导体层105所输出的空穴传输至第一光致发光量子阱层系103,可对应设置p型半导体层105、电致发光量子阱层系104以及隔离层109的厚度。
具体地,本实施例通过设置光谱反射增强结构108,能够反射电致发光量子阱层104输出的第一颜色的光线同时能够让第一光致发光量子阱层103发出的第二颜色光线全部透射出去。可选地,本实施例光谱反射增强结构108可为反射镜或反射镀膜等等。
结合图6,进一步参阅图7和图8,图7是图7是本申请外延芯片结构的光谱强度示意图,图8是本申请外延芯片结构与常规LED的波长蓝移比较示意图。
如图7所示,本申请外延芯片结构10的电致发光量子阱层系104所产生的第一颜色的光线的中心波长位于400nm左右,第一光致发光量子阱层系103所产生的第二颜色的光线的中心波长位于520nm左右。同时,由图7可以看出第二颜色的光线的光谱强度远大于第一颜色的光线的光谱强度,即第一光致发光量子阱层系103将至少大部分的第一颜色的光线吸收并转化为第二颜色的光线出射。
其中,如图7所示,本实施例第二颜色的光线具体为绿光,进一步如图8所示,在相同的电流密度下,本实施例外延芯片结构10输出的绿光的峰值波长相移小于常规绿光LED的峰值波长相移,即本实施例外延芯片结构10能够有效解决长波长EL LED的光谱蓝移问题,在此基础上,能够进一步解决长波长EL LED的光效Droop问题。
结合图2、图3和图6,进一步参阅图9,图9是本申请外延芯片结构第七实施例的结构示意图。如图9所示,本实施例外延芯片结构10包括衬底101、缓冲层110、光谱反射增强结构108、n型半导体层102、第一光致发光量子阱层系103、p型半导体层105、电致发光量子阱层系104、导电反射层111、P型电极107以及N型电极106。
其中,p型半导体层105包括第一子半导体层113和第二子半导体层114,第一光致发光量子阱层系103夹置于第一子半导体层113和第二子半导体层114之间。具体地,第一子半导体层113为p-GaN层,第二子半导体层114为p-AlGaN层。
具体地,导电反射层111、缓冲层110、n型半导体层102、电致发光量子阱层系104、第二子半导体层114、第一光致发光量子阱层系103、第一子半导体层113、光谱反射增强结构108以及P型电极107依次设置于衬底101的一侧面上,N型电极106设置于n型半导体层102背离衬底101的一侧。
其中,在本实施例中,n型半导体层102所输出的电子传输至电致发光量子阱层系104,第一子半导体层113所输出的空穴通过第一光致发光量子阱层系103和第二子半导体层114传输至电致发光量子阱层系104,同样第二子半导体层114所输出的空穴传输至电致发光量子阱层系104,以使电子与空穴在电致发光量子阱层系104内复合。同时,为了防止n型半导体层102所输出的电子传输至第一光致发光量子阱层系103,可通过控制施加于P型电极107和N型电极106电流密度实现。
结合图2、图3和图6,进一步参阅图10,图10是本申请外延芯片结构第八实施例的结构示意图。如图10所示,本实施例外延芯片结构10包括衬底101、缓冲层110、光谱反射增强结构108、n型半导体层102、第一光致发光量子阱层系103、p型半导体层105、电致发光量子阱层系104、导电反射层111、P型电极107以及N型电极106。
其中,n型半导体层102包括第一子半导体层115和第二子半导体层116,第一光致发光量子阱层系103夹置于第一子半导体层115和第二子半导体层116之间。具体地,第一子半导体层115和第二子半导体层116均为n-GaN层。
具体地,光谱反射增强结构108、缓冲层110、第二子半导体层116、第一光致发光量子阱层系103、第一子半导体层115、电致发光量子阱层系104、p型半导体层105、导电反射层111以及P型电极107依次设置于衬底101的一侧面上,N型电极106设置于n型半导体层102背离衬底101的一侧。
其中,在本实施例中,p型半导体层105所输出的空穴传输至电致发光量子阱层系104,第一子半导体层115所输出的电子传输至电致发光量子阱层系104,第二子半导体层116所输出的电子通过第一光致发光量子阱层系103和第一子半导体层115传输至电致发光量子阱层系104,以使电子与空穴在电致发光量子阱层系104内复合。同时,为了防止p型半导体层105所输出的空穴传输至第一光致发光量子阱层系103,可通过设置p型半导体层105、电致发光量子阱层系104以及第一子半导体层115的厚度实现。
结合图2和图5,进一步参阅图11,图11是本申请外延芯片结构第九实施例的结构示意图。如图11所示,本实施例外延芯片结构10包括衬底101、n型半导体层102、p型半导体层105、第一光致发光量子阱层系103、第二光致发光量子阱层系117、电致发光量子阱层系104、导电反射层111、第一隔离层118、第二隔离层119、P型电极107以及N型电极106。其中,第二光致发光量子阱层系117和第一光致发光量子阱层系103设置于电致发光量子阱层系104的同一侧。
其中,电致发光量子阱层系104所产生的第一颜色的光线和/或第一光致发光量子阱层系103所产生的第二颜色的光线传输至第二光致发光量子阱层系117,以使得第二光致发光量子阱层系117以光致发光方式产生第三颜色的光线。
具体地,n型半导体层102、第二光致发光量子阱层系117、第二隔离层119、第一光致发光量子阱层系103、第一隔离层118、电致发光量子阱层系104、p型半导体层105、导电反射层111以及P型电极107依次设置于衬底101的一侧面上,N型电极106设置于n型半导体层102背离衬底101的一侧。
其中,导电反射层111还用于反射第一光致发光量子阱层系103所产生的第二颜色的光线和/或第二光致发光量子阱层系117产生的第三颜色的光线。
其中,在本实施例中,n型半导体层102所输出的电子通过第二光致发光量子阱层系117、第二隔离层119、第一光致发光量子阱层系103以及第一隔离层118传输至电致发光量子阱层系104,同时p型半导体层105所输出的空穴传输至电致发光量子阱层系104,以使电子与空穴在电致发光量子阱层系104内复合。同时,为了防止p型半导体层105所输出的空穴传输至第一光致发光量子阱层系103,可通过设置p型半导体层105、电致发光量子阱层系104、第一隔离层118、第一光致发光量子阱层系103、第二隔离层119以及第二光致发光量子阱层系117的厚度实现。
可选地,在其他实施例中,可仅在第一光致发光量子阱层系103与电致发光量子阱层系104之间设置第一隔离层118,无需在第二光致发光量子阱层系117和第一光致发光量子阱层系103之间设置第二隔离层119,通过设置p型半导体层105、电致发光量子阱层系104、第一隔离层118、第一光致发光量子阱层系103以及第二光致发光量子阱层系117的厚度防止p型半导体层105所输出的空穴传输至第一光致发光量子阱层系103。
可选地,在其他实施例中,第一光致发光量子阱层系103可由n1对Iny(1)Ga1-y(1)N/GaN、n2对Iny(2)Ga1-y(2)N、…nk对Iny(k)Ga1-y(k)N/GaN的一种或几种组合;其中n1,n2,…nk的加和n为总的周期对数,n的取值为1-100;y(k)小于电致发光量子阱层系104的量子阱层中的In含量,y(k)的取值为0.12-0.5。
结合图2和图5,进一步参阅图12,图12是本申请外延芯片结构第十实施例的结构示意图。如图12所示,本实施例外延芯片结构10包括衬底101、n型半导体层102、p型半导体层105、第一光致发光量子阱层系103、第二光致发光量子阱层系117、电致发光量子阱层系104、导电反射层111、隔离层109、P型电极107以及N型电极106。其中,第二光致发光量子阱层系117和第一光致发光量子阱层系103设置于电致发光量子阱层系104的两侧。
具体地,n型半导体层102、第一光致发光量子阱层系103、隔离层109、电致发光量子阱层系104、p型半导体层105、第二光致发光量子阱层系117、导电反射层111以及P型电极107依次设置于衬底101的一侧面上,N型电极106设置于n型半导体层102背离衬底101的一侧。其中,导电反射层111用于全反射第一光致发光量子阱层系103所产生的第二颜色的光线、第二光致发光量子阱层系117所产生的第三颜色的光线以及电致发光量子阱层系104所产生的第一颜色的光线。
其中,在本实施例中,n型半导体层102所输出的电子通过第二光致发光量子阱层系117和隔离层109传输至电致发光量子阱层系104,同时p型半导体层105所输出的空穴传输至电致发光量子阱层系104,以使电子与空穴在电致发光量子阱层系104内复合。同时,为了防止p型半导体层105所输出的空穴传输至第一光致发光量子阱层系103,可通过设置p型半导体层105、电致发光量子阱层系104以及隔离层109的厚度实现。另外,为了防止n型半导体层102所输出的电子传输至第二光致发光量子阱层系117,可通过设置n型半导体层102、第一光致发光量子阱层系103、隔离层109、电致发光量子阱层系104以及隔离层109的厚度实现。
具体地,本申请第一实施例至第六实施例、第八实施例至第十实施例所展示外延芯片结构10的结构均为倒装结构,第七实施例所展示外延芯片结构10的结构均为正装结构。可选地,在其他实施例中,外延芯片结构10还可设置为垂直结构或者移除衬底101的薄膜结构,且第一实施例至第十实施例包含的层结构可根据实际需求自由组合设计,以实现对应的正装结构、倒装结构、垂直结构或者薄膜结构。其中,薄膜结构移除衬底101不影响外延芯片结构10所包含的多层结构的生长顺序。
本申请通过在外延芯片结构10中设置基于电致发光的电致发光量子阱层系104,以产生第一颜色的光线,以及设置基于光致发光的第一光致发光量子阱层系103,将第一颜色的光线进一步转化为第二颜色的光线出射,以使得第一光致发光量子阱层系103能够接收电致发光量子阱层系104所产生大部分第一颜色的光线,并将其转化为第二颜色的光线,有效提高外延芯片结构10的色转换效率。
同时,本申请采用第一光致发光量子阱层系103替代荧光粉,以解决荧光粉发光存在损耗和衰退的问题,进而提高外延芯片结构10的发光效率,本申请采用第一光致发光量子阱层系103替代常规电致发光结构的长波长LED,能够解决施加电压所引起的光效Droop和光谱蓝移的问题。并且,本实施例可由单一芯片的外延芯片结构10实现多波长集成激发,进而形成RGB显示像素或RGB白光光源,进而使外延芯片结构10满足Micro LED的设计需求,降低终端产品制作的复杂度。
此外,本申请通过在衬底101一侧依次生长n型半导体层102、第一光致发光量子阱层系103、隔离层109、电致发光量子阱层系104、p型半导体层105、导电反射层111以及P型电极107中的任意组合,即在衬底101的一面进行一次生长,避免在衬底101的两面进行两次生长而导致第二次生长对第一次生长形成的结构产生伤害和不良影响,比如第二次生长高温GaN时会对第一次生长的量子阱产生严重的晶体质量破坏,而导致器件功能很难实现。同时,在衬底101的一侧进行一次生长即可获得本申请外延芯片结构10,能够降低生产工艺成本,提高产品良率。
本申请还提供一种发光器件,请参阅图13,图13是本申请外延芯片结构第十实施例的结构示意图。如图13所示,发光器件20包括外延芯片结构21和荧光粉22。其中,外延芯片结构21可为上述任一实施例所述的外延芯片结构10。
具体地,荧光粉22设置于外延芯片结构21的出光侧的表面,外延芯片结构21的电致发光量子阱层系104所产生的第一颜色的光线和/或第一光致发光量子阱层系103所产生的第二颜色的光线传输至荧光粉22,使得荧光粉22受激产生第四颜色的光线。
其中,第一颜色的光线进一步与第二颜色的光线以及第四颜色的光线复合呈第五颜色的光线。可选地,第一颜色的光线可为蓝光,第二颜色的光线可为绿光,第四颜色的光线可为红光,复合得到的第五颜色的光线可为白光。
以上仅为本申请的实施例,并非因此限制本申请的专利范围,凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本申请的专利保护范围内。
Claims (18)
1.一种基于全氮化物的外延芯片结构,其特征在于,所述外延芯片结构包括生长于衬底同一侧主表面上的n型半导体层、p型半导体层、电致发光量子阱层系以及第一光致发光量子阱层系,其中所述n型半导体层和所述p型半导体层设置于所述电致发光量子阱层系的相对两侧,所述p型半导体层所输出的空穴与所述n型半导体层所输出的电子在所述电致发光量子阱层系内复合,以使得所述电致发光量子阱层系以电致发光方式产生第一颜色的光线,所述第一颜色的光线进一步传输至所述第一光致发光量子阱层系,以使得所述第一光致发光量子阱层系以光致发光方式产生第二颜色的光线。
2.根据权利要求1所述的外延芯片结构,其特征在于,所述外延芯片结构进一步包括P型电极,所述P型电极设置于所述p型半导体层背离所述电致发光量子阱层系的一侧,所述P型电极为反射电极或者所述外延芯片结构进一步包括设置于所述P型电极与所述p型半导体层之间的导电反射层,以将所述第一颜色的光线反射至所述第一光致发光量子阱层系。
3.根据权利要求1所述的外延芯片结构,其特征在于,所述p型半导体层所输出的空穴设置成无法传输至所述第一光致发光量子阱层系。
4.根据权利要求3所述的外延芯片结构,其特征在于,所述电致发光量子阱层系的厚度设置成使得所述p型半导体层所输出的空穴无法传输至所述第一光致发光量子阱层系。
5.根据权利要求3所述的外延芯片结构,其特征在于,所述外延芯片结构进一步包括设置于所述电致发光量子阱层系与所述第一光致发光量子阱层系之间的隔离层,所述隔离层用于阻挡所述p型半导体层所输出的空穴传输至所述第一光致发光量子阱层系。
6.根据权利要求5所述的外延芯片结构,其特征在于,所述隔离层的材料为n型半导体。
7.根据权利要求4-6任一项所述的外延芯片结构,其特征在于,所述电致发光量子阱层系和所述第一光致发光量子阱层系夹置于所述n型半导体层和所述p型半导体层之间。
8.根据权利要求3所述的外延芯片结构,其特征在于,所述电致发光量子阱层系和所述第一光致发光量子阱层系设置于所述n型半导体层的相对两侧。
9.根据权利要求1所述的外延芯片结构,其特征在于,所述电致发光量子阱层系和所述第一光致发光量子阱层系分别包括InGaN或InGaAlN的量子阱层,其中所述电致发光量子阱层系的量子阱层中的In含量小于所述第一光致发光量子阱层系的量子阱层中的In含量。
10.根据权利要求1所述的外延芯片结构,其特征在于,所述n型半导体体层包括第一子半导体层和第二子半导体层,或所述p型半导体层包括第一子半导体层和第二子半导体层,所述第一光致发光量子阱层系夹置于所述第一子半导体层和所述第二子半导体层之间。
11.根据权利要求1所述的外延芯片结构,其特征在于,所述外延芯片结构进一步包括光谱反射增强结构,所述光谱反射增强结构设置于所述第一光致发光量子阱层系背离所述电致发光量子阱层系的一侧,所述光谱反射增强结构用于将未被所述第一光致发光量子阱层系吸收的所述第一颜色的光线反射回所述第一光致发光量子阱层系,并透射所述第二颜色的光线。
12.根据权利要求1所述的外延芯片结构,其特征在于,所述第一光致发光量子阱层系设置成将所述第一颜色的光线的一部分转换成所述第二颜色的光线,所述第二颜色的光线进一步与所述第一颜色的光线的剩余部分复合呈第三颜色的光线。
13.根据权利要求2所述的外延芯片结构,其特征在于,所述外延芯片结构进一步包括第二光致发光量子阱层系,所述第一颜色的光线和/或所述第二颜色的光线传输至所述第二光致发光量子阱层系,以使得所述第二光致发光量子阱层系以光致发光方式产生第三颜色的光线;其中,所述反射电极或者所述导电反射层还用于反射所述第二颜色的光线和/或所述第三颜色的光线。
14.根据权利要求13所述的外延芯片结构,其特征在于,所述第二光致发光量子阱层系和所述第一光致发光量子阱层系设置于所述电致发光量子阱层系的同一侧;或者
所述第二光致发光量子阱层系和所述第一光致发光量子阱层系设置于所述电致发光量子阱层系的两侧。
15.根据权利要求1-14任一项所述的外延芯片结构,其特征在于,所述第一颜色的光线的波长范围为360nm-460nm。
16.根据权利要求1-14任一项所述的外延芯片结构,其特征在于,所述第一颜色的光线的波长范围为360nm-420nm,所述第二颜色的光线的波长范围为420nm-480nm;或者
所述第一颜色的光线的波长范围为420-480nm,所述第二颜色的光线的波长范围为490nm-550nm;或者
所述第一颜色的光线的波长范围为490-550nm,所述第二颜色的光线的波长范围为560nm-650nm。
17.根据权利要求1所述的外延芯片结构,其特征在于,所述外延芯片结构包括正装结构、倒装结构、垂直结构或移除所述衬底的薄膜结构。
18.一种发光器件,其特征在于,所述发光器件包括如权利要求1-17任一项所述的外延芯片结构和荧光粉,所述荧光粉设置于所述外延芯片结构的出光侧的表面,所述第一颜色的光线和/或所述第二颜色的光线传输至所述荧光粉,以使得所述荧光粉受激产生第四颜色的光线。
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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